Nanoalfabet: kropki kwantowe. Kropki kwantowe — czujniki w nanoskali dla medycyny i biologii
Przeczytaj także
Aby otrzymać główny pomysł o właściwościach obiektów materialnych i prawach, zgodnie z którymi znany wszystkim makroświat „żyje”, wcale nie jest konieczne ukończenie wyższego instytucja edukacyjna ponieważ każdego dnia każdy ma do czynienia z ich manifestacjami. Choć ostatnio coraz częściej mówi się o zasadzie podobieństwa, której zwolennicy przekonują, że światy mikro i makro są bardzo podobne, to jednak jest różnica. Jest to szczególnie widoczne przy bardzo małych rozmiarach ciał i przedmiotów. kropki kwantowe, czasami nazywane nanokropkami, to tylko jeden z tych przypadków.
mniej niż mniej
Przypomnijmy sobie klasyczną budowę atomu, na przykład wodór. Zawiera jądro, które ze względu na obecność w nim dodatnio naładowanego protonu ma plus, czyli +1 (ponieważ wodór jest pierwszym pierwiastkiem w układzie okresowym). W związku z tym elektron (-1) znajduje się w pewnej odległości od jądra, tworząc powłokę elektronową. Oczywiście, jeśli zwiększysz wartość, pociągnie to za sobą dodanie nowych elektronów (przypomnij sobie: ogólnie atom jest elektrycznie obojętny).
Odległość między każdym elektronem a jądrem jest określona przez poziomy energii ujemnie naładowanych cząstek. Każda orbita jest stała, całkowita konfiguracja cząstek określa materiał. Elektrony mogą przeskakiwać z jednej orbity na drugą, pochłaniając lub uwalniając energię przez fotony o takiej lub innej częstotliwości. Najbardziej odległe orbity zawierają elektrony o maksymalnym poziomie energii. Co ciekawe, sam foton ma dwoistą naturę, definiowany jednocześnie jako bezmasowa cząstka i promieniowanie elektromagnetyczne.
Samo słowo „foton” ma pochodzenie greckie, oznacza „cząstkę światła”. Dlatego można argumentować, że gdy elektron zmienia swoją orbitę, pochłania (uwalnia) kwant światła. W ta sprawa należy wyjaśnić znaczenie innego słowa - "kwant". W rzeczywistości nie ma nic skomplikowanego. Słowo to pochodzi od łacińskiego „kwant”, co dosłownie oznacza najmniejszą wartość dowolnej wielkości fizycznej (tutaj – promieniowanie). Wyjaśnijmy na przykładzie, czym jest kwant: jeśli przy pomiarze wagi najmniejszą niepodzielną wielkością był miligram, to można by to nazwać. Tak w prosty sposób tłumaczy się pozornie skomplikowany termin.
Wyjaśnienie kropek kwantowych
Często w podręcznikach można znaleźć następującą definicję nanokropka - jest to niezwykle mała cząsteczka dowolnego materiału, której wielkość jest porównywalna z wartością emitowanej długości fali elektronu (pełne widmo obejmuje granicę od 1 do 10 nanometrów). Wewnątrz niego wartość pojedynczego ujemnego nośnika ładunku jest mniejsza niż na zewnątrz, więc elektron ma ograniczony ruch.
Jednak termin „kropki kwantowe” można wyjaśnić inaczej. Elektron, który pochłonął foton „wznosi się” na wyższy poziom energii, a na jego miejscu powstaje „niedobór” – tzw. dziura. W związku z tym, jeśli elektron ma ładunek -1, to dziura ma +1. Próbując powrócić do poprzedniego stanu stabilnego, elektron emituje foton. Połączenie nośników ładunku „-” i „+” w tym przypadku nazywane jest ekscytonem, aw fizyce jest rozumiane jako cząstka. Jego wielkość zależy od poziomu pochłoniętej energii (wyższa orbita). Kropki kwantowe to właśnie te cząstki. Częstotliwość energii emitowanej przez elektron zależy bezpośrednio od wielkości cząstek danego materiału i ekscytonu. Należy zauważyć, że postrzeganie barw światła przez ludzkie oko opiera się na różnych
LED, LCD, OLED, 4K, UHD… wydawałoby się, że ostatnią rzeczą, jakiej potrzebuje teraz branża telewizyjna, jest kolejna skrót techniczny. Ale postępu nie da się zatrzymać, poznaj jeszcze kilka liter - QD (lub Kropka kwantowa). Od razu zauważam, że termin „kropki kwantowe” w fizyce ma szersze znaczenie niż jest to wymagane w przypadku telewizorów. Ale w świetle panującej mody na wszystko, co nanofizyczne, marketerzy Duże korporacje Chętnie zaczął stosować tę trudną naukową koncepcję. Dlatego postanowiłem dowiedzieć się, jakie to kropki kwantowe i dlaczego wszyscy będą chcieli kupić telewizor QD.
Najpierw trochę nauki w uproszczonej formie. „Kropka kwantowa” to półprzewodnik, którego właściwości elektryczne zależą od jego rozmiaru i kształtu (wiki). Musi być tak mały, aby efekty wielkości kwantowej były wyraźne. A te efekty reguluje wielkość tego właśnie punktu, czyli od „wymiarów”, jeśli to słowo odnosi się do tak małych obiektów, zależy energia emitowanego np. fotonu – a właściwie koloru.
Quantum-Dot-TV LG, który po raz pierwszy zostanie pokazany na targach CES 2015 Mówiąc jeszcze bardziej w kategoriach konsumenckich, są to maleńkie cząsteczki, które zaczną świecić w określonym spektrum, jeśli zostaną oświetlone. Jeśli zostaną nałożone i „wtarte” cienką folią, a następnie podświetlone, folia zacznie jasno świecić. Istotą tej technologii jest to, że wielkość tych kropek jest łatwa do kontrolowania, co oznacza uzyskanie dokładnego koloru.
Gama kolorów telewizorów QD, według QD Vision, jest 1,3 razy wyższa niż w konwencjonalnych telewizorach i w pełni pokrywa NTSC Tak naprawdę nie jest tak ważne, jaką nazwę wybierają wielkie korporacje, najważniejsze jest to, co powinna nadać konsumentowi. I tutaj obietnica jest dość prosta – ulepszone odwzorowanie kolorów. Aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób „kropki kwantowe” to zapewnią, należy pamiętać o konstrukcji wyświetlacza LCD.
Światło pod kryształem
Telewizor LCD (LCD) składa się z trzech głównych części: białego podświetlenia, kolorowych filtrów (rozdzielających poświatę na czerwony, niebieski i zielone kolory) i matrycę ciekłokrystaliczną. Ten ostatni wygląda jak siatka maleńkich okienek – pikseli, które z kolei składają się z trzech subpikseli (komórek). Ciekłe kryształy, podobnie jak żaluzje, mogą blokować strumień świetlny lub wręcz przeciwnie, całkowicie się otwierać, występują również stany pośrednie.
PlasmaChem GmbH produkuje „kropki kwantowe” w kilogramach i pakuje je do fiolek Kiedy białe światło emitowane przez diody LED (LED, dziś już trudno znaleźć telewizor z świetlówki, jak to było jeszcze kilka lat temu), przechodzi np. przez piksel, którego zielone i czerwone komórki są zamknięte, wtedy widzimy niebieski. Zmienia się stopień „uczestnictwa” każdego piksela RGB, a tym samym uzyskuje się kolorowy obraz.
Rozmiar kropek kwantowych i widmo, w którym emitują światło, według Nanosys Jak można sobie wyobrazić, do zapewnienia jakości kolorów na obrazie wymagane są co najmniej dwie rzeczy: dokładne filtry kolorów i odpowiednie białe podświetlenie, najlepiej o szerokim spektrum. Właśnie z tymi ostatnimi diody LED mają problem.
Po pierwsze nie są w rzeczywistości białe, dodatkowo mają bardzo wąskie spektrum kolorów. To znaczy szerokość widma biały kolor osiągane przez dodatkowe powłoki - jest kilka technologii, częściej niż inne stosuje się tzw. diody luminoforowe z dodatkiem żółtego. Ale nawet ten „quasi-biały” kolor wciąż nie spełnia ideału. Przepuszczając go przez pryzmat (jak na lekcji fizyki w szkole), nie rozłoży się na wszystkie kolory tęczy o tej samej intensywności, jak to ma miejsce w przypadku światło słoneczne. Na przykład czerwony będzie wydawał się znacznie ciemniejszy niż zielony i niebieski.
Tak wygląda spektrum tradycyjnego oświetlenia LED. Jak widzisz niebieski odcień znacznie bardziej intensywne, a zieleń i czerwień są nierównomiernie pokryte filtrami ciekłokrystalicznymi (linie na wykresie) Inżynierowie oczywiście próbują naprawić sytuację i wymyślić obejścia. Na przykład możesz obniżyć poziomy zielonego i niebieskiego w ustawieniach telewizora, ale wpłynie to na ogólną jasność - obraz stanie się bledszy. Dlatego wszyscy producenci szukali źródła światła białego, którego zanik dawałby jednolite widmo o jednakowym nasyceniu kolorów. I tu na ratunek przychodzą kropki kwantowe.
kropki kwantowe
Przypomnę, że jeśli mówimy o telewizorach, to „kropki kwantowe” to mikroskopijne kryształy, które świecą, gdy pada na nie światło. Mogą się „spalić” w wielu różne kolory, wszystko zależy od wielkości kropki. A biorąc pod uwagę, że teraz naukowcy nauczyli się prawie doskonale kontrolować ich rozmiar, zmieniając liczbę atomów, z których się składają, możesz uzyskać blask dokładnie w takim kolorze, jakiego potrzebujesz. Również kropki kwantowe są bardzo stabilne - nie zmieniają się, co oznacza, że kropka stworzona do luminescencji o określonym odcieniu czerwieni prawie zawsze zachowa ten odcień.
Tak wygląda widmo LED przy użyciu folii QD (wg QD Vision) Inżynierowie wpadli na pomysł, aby wykorzystać tę technologię w następujący sposób: na cienką warstwę nakłada się powłokę „kropek kwantowych”, która ma świecić pewnym odcieniem czerwieni i zieleni. A dioda LED jest po prostu niebieska. I wtedy ktoś od razu zgadnie: „wszystko jest jasne - jest źródło niebieskiego, a punkty dadzą zielony i czerwony, więc otrzymamy ten sam model RGB!”. Ale nie, technologia działa inaczej.
Trzeba pamiętać, że „kropki kwantowe” są na tym samym duży arkusz i nie są podzielone na subpiksele, ale po prostu zmieszane ze sobą. Gdy na folii świeci niebieska dioda, kropki emitują czerwony i zielony, jak wspomniano powyżej, i tylko wtedy, gdy wszystkie te trzy kolory są zmieszane, jest to idealne źródło światła białego. A przypomnę, że wysokiej jakości białe światło za matrycą jest tak naprawdę równe naturalnemu odwzorowaniu kolorów dla oczu widza po drugiej stronie. Na minimum, bo nie trzeba dokonywać korekty z utratą lub zniekształceniem widma.
To wciąż telewizor LCD
Szeroka gama kolorów będzie szczególnie przydatna w przypadku nowych telewizorów 4K i podpróbkowania kolorów 4:4:4, którego oczekujemy w przyszłych standardach. To wszystko dobrze, ale pamiętaj, że kropki kwantowe nie rozwiązują innych problemów z telewizorami LCD. Na przykład uzyskanie idealnej czerni jest prawie niemożliwe, ponieważ ciekłe kryształy (te same „żaluzje”, jak pisałem powyżej) nie są w stanie całkowicie zablokować światła. Mogą tylko „przykryć”, ale nie do końca.
Kropki kwantowe mają za zadanie poprawić odwzorowanie kolorów, a to znacznie poprawi wrażenie obrazu. Ale to nie jest technologia OLED czy plazma, gdzie piksele są w stanie całkowicie odciąć dopływ światła. Jednakże telewizory plazmowe na emeryturze, a OLED jest nadal zbyt drogi dla większości konsumentów, więc nadal dobrze jest wiedzieć, że producenci wkrótce zaoferują nam nowy rodzaj Telewizory LED, które pokażą się lepiej.
Ile kosztuje „telewizor kwantowy”?
Pierwsze telewizory QD-TV Sony, Samsung i LG zapowiadają się na targach CES 2015 w styczniu. Jednak chińska firma TLC Multimedia wyprzedza konkurencję, wypuścili już telewizor 4K QD i mówią, że niedługo trafi do sklepów w Chinach.
Telewizor TCL 55" QD pokazany na targach IFA 2014 Na ten moment podaj dokładny koszt telewizorów z Nowa technologia Niemożliwe, czekamy na oficjalne oświadczenia. Napisali, że koszt QD będzie trzy razy tańszy niż OLED, o podobnej funkcjonalności. Ponadto technologia, jak mówią naukowcy, jest dość niedroga. Na tej podstawie można mieć nadzieję, że modele Quantum Dot będą powszechnie dostępne i po prostu zastąpią te zwykłe. Myślę jednak, że na początku ceny nadal będą zawyżone. Jak zwykle w przypadku wszystkich nowych technologii.
Dobra pora dnia, Chabrazhiteli! Chyba wielu zauważyło, że zaczęło pojawiać się coraz więcej reklam wyświetlaczy opartych na technologii kropek kwantowych, tzw. wyświetlaczy QD – LED (QLED), mimo że w tej chwili to tylko marketing. Podobnie jak telewizory LED i Retina, jest to technologia tworzenia Wyświetlacze LCD, który wykorzystuje jako oświetlenie diody LED oparte na kropkach kwantowych.
Twój skromny sługa postanowił jednak dowiedzieć się, czym są kropki kwantowe i czym są zjadane.
Zamiast wstępu
kropka kwantowa- fragment przewodnika lub półprzewodnika, którego nośniki ładunku (elektrony lub dziury) są ograniczone przestrzennie we wszystkich trzech wymiarach. Rozmiar kropki kwantowej musi być tak mały, że efekty kwantowe były znaczące. Osiąga się to, gdy energia kinetyczna elektronu jest zauważalnie większa niż wszystkie inne skale energetyczne: przede wszystkim więcej temperatury, wyrażona w jednostkach energii. Kropki kwantowe zostały po raz pierwszy zsyntetyzowane na początku lat 80. przez Aleksieja Ekimowa w szklanej matrycy i Louisa E. Brusa w roztworach koloidalnych. Termin „kropka kwantowa” został ukuty przez Marka Reeda.Widmo energii kropki kwantowej jest dyskretne, a odległość pomiędzy stacjonarnymi poziomami energii nośnika ładunku zależy od wielkości samej kropki kwantowej jako - h/(2md^2), gdzie:
- h jest zredukowaną stałą Plancka;
- d jest charakterystyczną wielkością punktu;
- m jest efektywną masą elektronu w punkcie
Na przykład, gdy elektron przesuwa się na niższy poziom energii, emitowany jest foton; ponieważ istnieje możliwość sterowania wielkością kropki kwantowej, możliwa jest również zmiana energii emitowanego fotonu, czyli zmiana koloru światła emitowanego przez kropkę kwantową.
Rodzaje kropek kwantowych
Istnieją dwa rodzaje:- epitaksjalne kropki kwantowe;
- koloidalne kropki kwantowe.
Konstrukcja kropek kwantowych
Zwykle kropka kwantowa to kryształ półprzewodnikowy, w którym realizowane są efekty kwantowe. Elektron w takim krysztale ma wrażenie, że znajduje się w trójwymiarowej studni potencjału i ma wiele stacjonarnych poziomów energii. W związku z tym, przechodząc z jednego poziomu na drugi, kropka kwantowa może emitować foton. Dzięki temu przejścia są łatwe do kontrolowania, zmieniając rozmiar kryształu. Możliwe jest również wyrzucenie elektronu na wysoki poziom energii i otrzymanie promieniowania z przejścia między niższymi poziomami, w wyniku czego uzyskujemy luminescencję. Właściwie to właśnie obserwacja tego zjawiska była pierwszą obserwacją kropek kwantowych.Teraz o wyświetlaczach
Historia pełnoprawnych wyświetlaczy rozpoczęła się w lutym 2011 roku, kiedy firma Samsung Electronics zaprezentowała opracowanie pełnokolorowego wyświetlacza opartego na kropkach kwantowych QLED. Był to 4-calowy wyświetlacz napędzany aktywną matrycą, tj. każdy piksel z kropką kwantową koloru może być włączany i wyłączany przez tranzystor cienkowarstwowy.Aby stworzyć prototyp, na płytkę silikonową nakłada się warstwę roztworu kropek kwantowych i natryskuje rozpuszczalnik. Następnie w warstwę kropek kwantowych wciska się gumowy stempel z powierzchnią grzebieniową, oddziela się i odciska na szkle lub elastycznym plastiku. W ten sposób paski kropek kwantowych osadzają się na podłożu. Na wyświetlaczach kolorowych każdy piksel zawiera czerwony, zielony lub niebieski subpiksel. W związku z tym kolory te są używane z różną intensywnością, aby uzyskać jak najlepsze jeszcze odcienie.
Kolejnym krokiem w rozwoju było opublikowanie artykułu przez naukowców z Indyjskiego Instytutu Nauki w Bangalore. Gdzie były opisane kropki kwantowe, że luminescencja nie tylko? Pomarańczowy, ale także od ciemnozielonego do czerwonego.
Dlaczego LCD jest gorszy?
Główna różnica między wyświetlaczem QLED a wyświetlaczem LCD polega na tym, że ten ostatni może pokryć tylko 20-30% zakresu kolorów. Także w Telewizory QLED nie ma potrzeby stosowania warstwy z filtrami światła, ponieważ kryształy pod wpływem napięcia zawsze emitują światło o ściśle określonej długości fali, a co za tym idzie o tej samej wartości koloru.
Pojawiły się również informacje o sprzedaży wyświetlacza komputerowego z kropkami kwantowymi w Chinach. Niestety nie miałem okazji sprawdzić tego na własne oczy, w przeciwieństwie do telewizora.
PS Warto zauważyć, że zakres kropek kwantowych nie ogranicza się do monitorów LED, między innymi można je zastosować w tranzystory polowe, fotokomórki, diody laserowe, są również badane nad możliwością ich zastosowania w medycynie i obliczenia kwantowe.
PS. Jeśli mówimy o mojej osobistej opinii, to wierzę, że nie będą popularne przez najbliższe dziesięć lat, nie dlatego, że są mało znane, ale dlatego, że ceny tych wyświetlaczy są niebotyczne, ale mimo to chciałbym mieć nadzieję, że Punkty kwantowe znajdą zastosowanie w medycynie i posłużą nie tylko do zwiększania zysków, ale także do dobrych celów.
AV Fiodorow, A.V. Baranowa | ||||||||||||
Ln[ K(τ ) ] | ||||||||||||
τ , ps | ||||||||||||
Ryż. 4.32. a jest logarytmem obwiedni koherentnego sygnału sterującego jako funkcja wzajemnego opóźnienia między impulsami dla różnych względnych wkładów jednorodnych i niejednorodnych poszerzeń Lorentza (r = 2 = !). Linia ciągła jest czysto Lorentzowskim jednorodnym poszerzeniem o ~ 2 = 21:25 µeV; linia przerywana –r =1/1; linia przerywana –r = 1/2,5; kreska-kropka –r = 1/14. Wartości bezwzględne2 i! zostały tak dobrane, aby HWHM linii fotoluminescencyjnej pojedynczej kropki kwantowej było utrzymywane na stałym poziomie (21:25 μeV) zgodnie z pracą . b – Obrys Voigta linii fotoluminescencyjnej pojedynczej kropki kwantowej, obliczony dla takich samych parametrów jak w przypadku a.
urządzenie pomiarowe i kształtka z konturem Voigta. Prowadzi to do dodatkowych błędów. Na ryc. 4.32b, kształty linii fotoluminescencyjnych pojedynczej kropki kwantowej są wykreślane dla tych samych stosunków 2 = ! , jak na rysunku 4.32. Widać, że najbardziej pouczającą częścią linii widmowych są ich skrzydła, gdzie jest to trudne do osiągnięcia dobre relacje sygnał/hałas. Jednocześnie odpowiednie zmiany w K() są najbardziej wyraźne w obszarze, w którym można uzyskać spójny sygnał sterujący z wystarczającą dokładnością. Tym samym metoda kontroli koherentnej może być wykorzystana do badania skutków fluktuacji środowiska ładunku w procesach optycznych i relaksacyjnych.
4.3. Zastosowania kropek kwantowych
4.3.1. Lasery z kropkami kwantowymi do komunikacji światłowodowej
Rozwój telekomunikacji światłowodowej doprowadził do konieczności tworzenia wydajnych lasery półprzewodnikowe oraz wzmacniacze optyczne pracujące w zakresie spektralnym minimalnych strat falowodów (1,25–1,65 μm). Maksymalna długość Długość fali osiągana przez lasery ze studnią kwantową InGaAs/GaAs wynosi 1230 nm dla urządzeń generujących od końca oraz 1260 nm dla laserów z wnęką pionową. Wystarczająco duże prądy progowe, niska temperatura pracy i niskie
4. Optyka kropek kwantowych |
stabilność temperaturowa takich laserów nie zawsze spełnia wymagania stawiane szybkim urządzeniom telekomunikacyjnym.
Postęp w wytwarzaniu wielowarstwowych struktur samorosnących kropek kwantowych ze związków A3 B5, wystarczająco jednorodnych pod względem wielkości i kształtu gęstość powierzchniowa, doprowadziły do powstania laserów półprzewodnikowych z kropkami kwantowymi jako ośrodkiem aktywnym. W rezultacie region spektralny 1,0–1,7 µm stał się dostępny do generowania zarówno dla konwencjonalnych laserów, jak i laserów z wnęką pionową, wykorzystujących kropki kwantowe InGaAs i podłoża GaAs. W szczególności oba typy laserów mogą generować promieniowanie 1,3 µm przy wyjątkowo niskich prądach progowych i dużej mocy wyjściowej. Niedawno zademonstrowano szerokopasmowy laser na kropce kwantowej, emitujący na poziomie 1,5 µm przy gęstości prądu wynoszącej zaledwie 70 A/cm2 na warstwę kropek kwantowych przy temperatura pokojowa. Wzmacniacze optyczne oparte na strukturach kropek kwantowych są interesujące dla szybkiego przetwarzania sygnału z szybkością powyżej 40 Gbit/s. Co ważne, opracowane technologie GaAs umożliwiają wytwarzanie dość tanich monolitycznych laserów na kropkach kwantowych o pionowej wnęce z rozproszonymi zwierciadłami Bragga opartymi na parach AlAs/GaAs i AlOx/GaAs.
Należy zauważyć, że ze względu na niejednorodne poszerzenie przejść elektronowych w kropkach kwantowych, możliwe staje się rozszerzenie obszaru ciągłego dostrajania długości fali lasera. Przy pewnym wzroście prądów progowych może osiągnąć 200 nm (1,033–1,234 μm).
Interesujące są również lasery wykorzystujące kropki kwantowe InAs i podłoża InP, ponieważ umożliwiają one uzyskanie generacji w dłuższym zakresie długości fal (1,8-2,3 μm), co jest ważne w zastosowaniach w spektroskopii molekularnej i zdalne sterowanie atmosfery gazowe za pomocą lidarów. Jednocześnie generowanie promieniowania o długości fali 1,9 i 2 μm z lasera z ośrodkiem aktywnym z takiej heterostruktury uzyskiwano dotychczas tylko w niskiej (77 K) temperaturze. Co ciekawe, lasery o długości fali 1,6 i 1,78 μm zostały również zademonstrowane dla laserów opartych na przewodach kwantowych InAs — jednowymiarowych struktury kwantowe na podłożu (001)InP. Ostatecznie, ciągłe laserowanie w obszarze 2 μm uzyskano w temperaturze pokojowej przy użyciu kropek kwantowych opartych na InAsSb hodowanych na podłożu (001)InP jako aktywnym ośrodku laserowym.
Intensywny rozwój tego kierunku doprowadził do tego, że obecnie na rynku dostępne są niektóre rodzaje laserów półprzewodnikowych z ośrodkiem aktywnym opartym na kropkach kwantowych, .
260 AV Fiodorow, A.V. Baranowa
4.3.2. Kropki kwantowe w biologii i medycynie
Jednym z najaktywniej rozwijających się obszarów zastosowań półprzewodnikowych kropek kwantowych jest wykorzystanie koloidalnych kropek kwantowych (nanokryształów półprzewodnikowych w roztworach organicznych i wodnych) jako znaczników luminescencyjnych do wizualizacji struktury obiektów biologicznych. inny rodzaj oraz do ultraczułego wykrywania reakcji biochemicznych, które są niezbędne w biologii molekularnej i komórkowej, diagnostyce medycznej i terapii. Znacznik luminescencyjny to luminofor związany z cząsteczką łącznika, który może selektywnie wiązać się z wykrywalną biostrukturą (celem). Etykiety muszą być rozpuszczalne w wodzie, mieć wysoki współczynnik absorpcji i mieć wysoką wydajność kwantową luminescencji w wąskim paśmie widmowym. To ostatnie jest szczególnie ważne przy rejestracji obrazów wielokolorowych, gdy różne cele w komórce są oznaczone różnymi etykietami. Barwniki organiczne są powszechnie stosowane jako luminofory do etykiet. Ich wadą jest niska odporność na fotowybielanie, co nie pozwala na długotrwałe pomiary, konieczność stosowania kilku źródeł światła do wzbudzania różnych barwników oraz duża szerokość i asymetria pasm luminescencji, które utrudniają analizę obrazów wielokolorowych.
Ostatnie osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii pozwalają mówić o stworzeniu nowej klasy etykiet luminescencyjnych wykorzystujących półprzewodnikowe kropki kwantowe – nanokryształy koloidalne – jako luminofor.
Synteza nanokryształów na bazie związków A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) oraz A3 B5 (InP i GaAs) jest znana od dawna. Już w 1993 roku zaproponowano wysokotemperaturową syntezę metaloorganiczną kropek kwantowych CdSe i otrzymano nanokryształy o dobrej strukturze krystalicznej i wąskim rozkładzie wielkości, ale z wydajnością kwantową nieprzekraczającą 10%. Gwałtowny wzrost wydajności kwantowej kropek kwantowych do 85% w temperaturze pokojowej osiągnięto, gdy nanokryształy zaczęto pokrywać cienką (1–2 monowarstwową) otoczką z innego materiału o większej przerwie energetycznej (np. dla CdSe, to jest ZnS, CdS, CdO). Takie struktury nazywane są kropkami kwantowymi rdzeń/powłoka (ang. core/shell QDs). Średnicę kropek kwantowych (od 1,5 nm wzwyż) można kontrolować zmieniając czas reakcji, która zachodzi w temperaturze ok. 300oC, od minut do kilku godzin, lub po prostu wybierając odpowiednią ilość produktu po inny czas po rozpoczęciu reakcji. W rezultacie okazało się, że możliwe jest uzyskanie zestawu kropek kwantowych o tym samym składzie, ale o różnych rozmiarach. Na przykład pozycja pasma luminescencji QD CdSe/ZnS może zmieniać się w zakresie od 433 do 650 nm (2,862-1,906 eV) przy szerokości pasma około 30 meV. Zastosowanie innych materiałów umożliwia znaczne rozszerzenie zakresu widmowego strojenia pasma luminescencji nanokryształów (rys. 4.33). Głównie,
Optyka kropek kwantowych | |||||
Intensywność | |||||
Długość fali, | |||||
Ryż. 4.33. Widma luminescencji nanokryształów półprzewodnikowych inny skład i różne rozmiary. Linie ciągłe odpowiadają nanokryształom CdSe o średnicach 1,8, 3,0 i 6,0 nm, linie kropkowane odpowiadają nanokryształom InP o średnicach 3,0 i 4,6 nm, linie przerywane odpowiadają nanokryształom InAs o rozmiarach 2,8, 3,6, 4,6 i 6,0 nm.
że nanokryształy wykazują węższe i bardziej symetryczne pasma luminescencji niż konwencjonalne barwniki organiczne. To niezwykle istotna zaleta przy analizie obrazów wielokolorowych. Na ryc. 4.34, jako przykład, porównano widma luminescencji nanokryształów CdSe/ZnS i cząsteczek rodaminy 6G.
Intensywność, rel. jednostki
Rodamina 6 F |
kropki kwantowe
Długość fali, nm
Ryż. 4.34. Porównanie pasm luminescencji kropek kwantowych i cząsteczek rodaminy 6G.
Dodatkową zaletą jest to, że nanokryształy o tym samym składzie zwykle mają szerokie pasmo absorpcja o wysokim molowym współczynniku ekstynkcji (do 10–6 cm–1 M–1) odpowiadającym przejściom do stanów wysokoenergetycznych. Jej pozycja w niewielkim stopniu zależy od wielkości kropki kwantowej. Dlatego w przeciwieństwie do barwników jest to możliwe
262 śr. Fiodorow, A.V. Baranowa
efektywne wzbudzenie luminescencji nanokryształów o różnej wielkości o jeden źródło laserowe Swieta. Jednak główną zaletą jest to, że nanokryształy mają doskonałą fotoodporność: nie blakną przez kilka godzin, a nawet dni, podczas gdy charakterystyczne czasy fotowybielania konwencjonalnych luminoforów są ograniczone do kilku minut (rys. 4.35 AlexaFluor® 488Rys. 4.35. Fotoindukowana degradacja luminescencji znaczników na bazie nanokryształów CdSe/ZnS CdSe/ZnS i tradycyjnych luminoforów molekularnych pod wpływem promieniowania lampy rtęciowej.
Uzyskana w wyniku powierzchnia takich kropek kwantowych Reakcja chemiczna, pokryte hydrofobowymi cząsteczkami użytymi w syntezie, dzięki czemu są rozpuszczalne tylko w rozpuszczalnikach organicznych. Ponieważ obiekty biologiczne (białka, DNA, peptydy) istnieją tylko w roztworach wodnych, opracowano metody modyfikacji powierzchni nanokryształów, dzięki czemu są one rozpuszczalne w wodzie zarówno na dodatnich, jak i ujemnie naładowanych powierzchniach. Zaproponowano kilka rodzajów cząsteczek łącznikowych, które umożliwiają selektywne wiązanie nanokryształów z analizowanymi biocząsteczkami. Jako przykład, ryc. 4.36 przedstawia przykład nanokryształu CdSe pokrytego powłoką ZnS, która jest kowalencyjnie związana z białkiem przez cząsteczkę kwasu merkaptooctowego.
Ostatnio luminescencyjne etykiety oparte na półprzewodnikowych kropkach kwantowych dla celów różne rodzaje stał się dostępny na rynku.
Aby wykorzystać kropki kwantowe in vivo, konieczne jest podjęcie działań w celu zmniejszenia ich toksyczności. W tym celu zaproponowano umieszczenie kropek kwantowych w obojętnych sferach polimerowych o średnicach 50–300 nm i wykorzystanie ich jako luminoforów w przypadkach, gdy stosunkowo duże rozmiary nanosfer nie uniemożliwiają ich zastosowania. Posługiwać się-
Każda substancja o mikroskopijnych rozmiarach jest nanocząstką, materiałem wykorzystywanym przez badaczy nanotechnologii do opracowywania i tworzenia nowych technologii opartych na zastosowaniu pierwiastków w tej maleńkiej postaci. Czytamy uważnie, bo trzeba będzie trochę zagłębić się w istotę tekstu.
Kropki kwantowe to nanocząstki wykonane z dowolnych materiał półprzewodnikowy, takich jak krzem, selenek kadmu, siarczek kadmu czy arsenek indu, które po oświetleniu światłem świecą na określony kolor.
Kolor, którym się świecą, zależy od wielkości nanocząstki. Umieszczając kwanty inny rozmiar możliwe jest uzyskanie koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego w każdym pikselu ekranu wyświetlacza, co umożliwi stworzenie pełnego spektrum kolorów w tych pikselach (dowolny istniejący kolor uzyskuje się poprzez zmieszanie tych kolorów).
Kiedy kropki kwantowe są oświetlone światłem UV, niektóre elektrony otrzymują wystarczającą ilość energii, aby pozbyć się atomów. Ta zdolność pozwala im poruszać się wokół nanocząstki, tworząc pasmo przewodnictwa, w którym elektrony mogą swobodnie przemieszczać się przez materiał i przewodzić prąd.
Kiedy elektrony opadają na zewnętrzną orbitę wokół atomu (pasma walencyjnego), emitują światło. Barwa tego światła zależy od różnicy energii między pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym.
Im mniejsza nanocząsteczka, tym większa różnica energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa, co skutkuje głębszym niebieskim kolorem. W przypadku większych nanocząstek różnica energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest mniejsza, co powoduje przesunięcie luminescencji w kierunku czerwieni.
Kropki i wyświetlacze kwantowe
W przypadku wyświetlaczy LCD korzyści są liczne. Przyjrzyjmy się najważniejszym i najciekawszym cechom, jakie otrzymały wyświetlacze LCD z kropkami kwantowymi.
Wyższa jasność szczytowa
Jednym z powodów, dla których producenci są tak podekscytowani kropkami kwantowymi, jest możliwość tworzenia ekranów o znacznie wyższej jasności szczytowej niż w przypadku innych technologii. Z kolei zwiększona jasność szczytowa daje dużo wielkie możliwości do korzystania z HDR i Dolby Vision.
Dolby Vision to standard wideo, który ma rozszerzony zakres dynamiki, czyli bardzo dużą różnicę w świetle między najjaśniejszym i najciemniejszym punktem na ekranie, co sprawia, że obraz jest bardziej realistyczny i kontrastowy.
Jeśli nie jesteś świadomy, to twórcy nieustannie próbują pobawić się w Pana Boga i stworzyć to, co stworzył (no, czy kto stworzył to wszystko wokół nas, może wszechświat?), tylko po to, by przenieść to na ekran.
Czyli na przykład zwykłe niebo w pogodny dzień ma jasność około 20 000 nitów (jednostka jasności), podczas gdy najlepsze telewizory może zapewnić jasność o około 10 mniej. Tak więc standard Dolby Vision wciąż wyprzedza resztę, ale i tak daleko im do Stwórcy :)
W związku z tym ekrany z kropkami kwantowymi to kolejny krok w kierunku jaśniejszego obrazu. Być może kiedyś będziemy mogli zobaczyć niemal prawdziwy wschód i/lub zachód słońca, a może inne wyjątkowe cuda natury, nie wychodząc z domu.
Najlepsza reprodukcja kolorów
Kolejną dużą zaletą kropek kwantowych jest lepsza dokładność kolorów. Ponieważ każdy piksel ma CT czerwony, niebieski i zielony, daje to dostęp do pełnej palety kolorów, co z kolei pozwala uzyskać niesamowitą ilość odcieni dowolnego koloru.
Wydłużona żywotność baterii w urządzeniach mobilnych
Ekrany z kropkami kwantowymi obiecują nie tylko doskonałą jakość obrazu, ale także wyjątkowo niskie zużycie energii.
Kropki kwantowe i Samsung QLED
Telewizory z kropką kwantową firmy Samsung, lub po prostu, nie są tak naprawdę kropką kwantową w prawidłowym zrozumieniu tej technologii. QLED to bardziej hybryda, skrzyżowanie kropek kwantowych i ekranów LED. Czemu? Ponieważ te telewizory nadal używają Światła neonowe, a w prawdziwym ekranie opartym na kropkach kwantowych światło powinno być tworzone właśnie przez kropki.
Dlatego nawet jeśli nowe telewizory południowokoreańskiego giganta prezentują się lepiej niż konwencjonalne ekrany LED, to i tak nie są to telewizory z kropką kwantową, ale telewizory z kropką kwantową zamiast filtra światła.
Uwagi:
| Iwan Iwanowicz |